印制电路板导线抗干扰设计浅析

1、第26卷第1期2008年3月JICHENGDIANLUTONGXUN集成电路通讯Vo.l26 No.1Mar.2008印制电路板导线抗干扰设计浅析方 岚(中国兵器工业第214研究所 蚌埠 233042)摘 要 本文分析了在印制电路板上几种主要由导线引入的干扰的形成,以及如何从印制电路板的设计入手抑制此类干扰的方法。关键词 印制电路板 导线 噪声 干扰抗耦合。2.2 导线间串音干扰串音干扰泛指线与线靠近时由于相互之间分布电容耦合而引入的噪声干扰。2.3 导线终端反射干扰导线终端反射干扰主要发生在高速数字电路之间长线信号传输过程中。高速变化的信号在较长的导线上传输时,会发生类似反射的情况,造成信号

2、畸变或产生噪声脉冲,导致电路误动作。1 引 言越来越多的印制电路板被使用在电子产品生产设计中,目前广泛使用的电子线路设计软件Protel系列、POWERPCB、Orcad等都包括有强大的印制电路板绘制模块,设计者可以根据自己的需要进行自主开发。由于印制电路板的设计质量会影响到电子产品的可靠性和稳定性,因此在绘制时,除了要考虑到一般的设计原则,还要着重考虑其抗干扰性。此时我们往往会考虑通过为重要的器件配置去耦电容,尽可能的加大电源线和地线宽度等措施去抑制噪声干扰,但是抑制这些噪声干扰的另一个重要途径 密布在整个印制板上的各种导线的抗干扰设计往往被我们忽略,本文就针对导线所引入的干扰进行探讨。3

3、导线干扰的形成原理3.1 导线阻抗干扰的形成原理目前在印制电路板的制造中,导线多为铜线,铜金属本身的物理特性决定了其在导电过程中必然存在一定的阻抗,导线中的电感成分会影响电压信号的传输,电阻成分则会影响电流信号的传输,在高频线路中电感量的影响尤为凸出。在印制电路板上某段导线均可被看作是很规则的矩形铜条,我们以一段长10cm、宽1.5mm,厚度为50 m的导线为例,通过计算可看到其阻抗的大小。导线电阻可通过公式来计算:R= L/s( )式中L为导线长度(米),s为导线截面积(平方毫米), 为电阻率 =0.02。通过计算得出该导线电阻值约为0.026 。,2 导线干扰的种类印制电路板上元器件之间信

4、号传输的连线、电源线、地线等均是采用导线来实现的,由导线引入的干扰种类很多,成因也很复杂,在这里我们着重探讨以下三种干扰。2.1 导线阻抗干扰导线阻抗由电阻和电感两种成份组成,在信号传输过程中由于阻抗的存在当导线上有电流流过时就会产生压降,这种压降引起电源和信号传,20集成电路通讯第26卷第1期宽度时,导线的自感量为0.8 H/m,那么10cm长的导线则具有0.08 H的电感量。然后我们可以由下面的公式求出该导线所呈现出来的感抗:XL=2!fL式中!为常数,f为导线通过信号的频率(Hz),L为单位长度导线的自感量(H)。这样我们可以分别计算出该导线在低频和高频下的感抗:当f=10KHz时,XL

5、=6.28 10 10 0.08 10!0.005 ;当f=30MHz时,XL=6.28 30 10 0.08 10!16 ;-66-63通过以上公式计算我们可以看到,在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗,而在高频信号中导线感抗要远远大于导线电阻。3.2 导线间串音干扰的形成原理目前印制电路板上元器件密度不断增大,导线之间的间隙也越来越小,由于导线间存在的分布电容,就造成了这种串音干扰。当导线之间相互平行时,导线相当于电容的两极,电容耦合的现象较易发生,因此串音干扰在长距离相互平行的导线间更明显。图1(a)是最常见的逻辑门信号传输电路,T:某长度导线所产生的延迟时间tR:传输信号上升沿时间图1

6、 串音噪声幅度与信号上升沿时间以及耦合线长的关系(b)、(c)、(d)图则分别描述了(a)图中a点的产生串音噪声的三种情况:当T>tR时,a点的串音噪声的上升沿等于t,振幅为R,脉宽等于2T最大;当T=0.5tR时,串音噪声成三角波,幅值正0.R冲,达不到最大值。3.3 导线终端反射干扰的形成原理对于数字电路来说,尤其是高速数字电路中有一种干扰不能被我们忽视,那就是导线终端反第26卷第1期 集成电路通讯 21本规律有关。图2(a)是最简单的数字信号传输电路,图(b)是其传输等效电路,传输线有分布电容和分布电感,因为电感的存在阻碍着电流的突变,电容图2 终端接有负载的传输线的存在阻碍着电压

7、的突变,当K合上后,并不是整个传输线上所有点均同时达到电压的定值E和电流的定值I,而是象电流波和电压波那样按照相同的速度向终端推进,如图3所示:Lo,当幅度为E的电压波和幅度为I的电流波由始端向终端推进时,传输线的特性阻抗R =E/I=Lo/Co;由于特性阻抗的存在,使得高速数字信号在传输过程中,由电容量影响的电压波和由电感量影响的电流波不能同步传输,会出现一个幅度为E的电压波和幅度为I的电流波从传输线终端反射回来迭加到原来的电压波和电流波上的现象,这种迭加信号和原有的信号共同进入传输网络,造成信号失真,产生干扰。4 导线干扰的抑制在了解了导线干扰的形成原理后,我们就可以针对性地在印制电路板设

8、计时进行优化处理,最大限度地抑制导线引入的干扰,增强印制电路板的抗干扰能力。4.1 接入旁路电容图3 传输线上的电压波和电流波由于导线上的电感成分的存在,在电流突变的情况下导线上将产生相当大的电压降,要有效的抑制这种电压波动,特别是电源线上的电压波,电流波的大小与传输线特性L、C有关,电压波和电流波幅度之间的关系则取决于传输线22集成电路通讯第26卷第1期容可以很好的起到缓冲作用,将电源的波动降低到最小程度。对于功耗电流较大的集成电路,最好是在每个电路都接入旁路电容,即使功耗小的也要每隔几个电路接入一个旁路电容。图4 旁路电容的接入方法图4描述了两种旁路电容的接入方法,(a)图所示的接法是每隔

9、一个集成电路长度的电源线接入一旁路电容,这是一种正确的接入方法,(b)图所示的方法并不是在每个集成电路的电源和地间接入旁路电容,这样接等于在旁路电容的引线上接上了一根很长的导线,它并不能有效的抑制电感量的作用,因此它表示的是一种错误的接入方法。接入旁路电容可以有效的降低导线对的阻抗,抑制串音干扰的发生。4.2 合理设计信号线目前印制电路板上的信号线的密度越来越大,线与线之间距离减小,串音干扰的产生就是由于两信号线较长距离平行走线的结果。由于信号线始终时一端为某电路的输出,另一端接另一电路的输入,因此信号线的设计往往受制于印制电路板上集成电路的放置,在充分考虑电路功能的情况下,我们可以遵循以下几

10、条基本原则来进行信号线的设计:a.电源线和地线作为特殊的信号线要求单独进行设计考虑;b.印制电路板相同一面上输入、输出信号的,发生反馈耦合,印制电路板两面的线也应尽量垂直布置;c.信号线拐弯处应进行原弧形处理;d.功率线、交流线尽量布置在和信号线不同的板上,否则应和信号线分开走线;e.石英晶振下面和对噪声特别敏感的元件下面尽量不要进行信号线设置。4.3合理设计地线导线中的地线由于电感成分产生公共阻抗耦合,是电路工作中常见的干扰源,除了使地线尽可能粗和短并加入旁路电容外,还应对地线的分布进行设计,尽量避免不同电路间存在较大的地线公共阻抗。在进行地线设计时应遵循以下几条基本原则:a.信号地与模拟地

11、分开;b.小信号地线与大功率地线分开;c.应尽量加粗,至少能通过3倍于印制板上的允许电流,一般应达23mm;d.应尽量构成死循环回路,这样可以减少地线电位差。4.4 选用合适的集成电路在印制电路板上另一主要部分就是集成电,第26卷第1期集成电路通讯23的条件,集成电路本身的特性也能对导线的干扰引入产生影响,例如终端反射干扰就是出现在高速数字电路的传输过程中。在设计规则允许的情况下尽可能地使用慢速电路并缩短导线的长度,必要时加终端匹配,最常用的匹配器件就是电阻。一般情况速度较快的TTL电路其导线长度大于10cm时就应加终端匹配措施,对速度较慢的CMOS电路这个界限可以放宽510倍。观存在很难彻底

12、消除,因此我们必须从开始设计时就对印制电路板进行合理的结构设计,对承担信号传输作用的导线的走向做到尽可能的考虑周密,对特殊导线做到特殊处理,从源头着手抑制导线引入噪声干扰的途径,这样才能设计出稳定可靠的印制电路板,从而保证电子产品能拥有良好的性能。参考文献1 诸邦田.电子线路抗干扰技术手册.北京科学技术出版社.2 郑诗卫.印制电路板排版设计.科学技术文献出版社.5 结束语印制电路板上星罗棋布的导线完成信号传输的同时,由于自身的物理特性和外界电磁场的存在或多或少地引入了各种噪声干扰,这些噪声客(上接第18页)分析以及安全性优化改进设计,并充分考虑到体积要求,使双电子延时器电路最终做到体积小、精度高、安全性高,使得电子延时器电路成功替代机械钟表式、火链式延时器,从而解决了人工降雨等工程应用中延时器小型化的需要。目前已生产一定数量的双电子延时器电路,经实际使用,双电子延时器达到预定的设计要求。适合于具有体积要求的工业爆破、人工降雨等工程推广应用。参考文献1 王毓银.脉冲与数字电路.北京:高等教育出版社,1993.3.2 童诗